基于平面线圈线阵的直线时栅位移传感器

针对现有磁场式直线时栅位移传感器行波磁场产生过程中,齿槽的存在影响行波磁场的匀速性,提出基于平面线圈线阵的直线时栅位移传感器。无齿槽的结构形式提高了行波磁场的匀速性,可实现大极距下的高精度测量。传感器将施加正交信号的两相励磁线圈相间排列形成平面线圈线阵,产生的行波磁场通过磁场拾取线圈感应出电行波信号,处理后得到位移量。通过电磁场分析软件对传感器进行建模仿真,根据仿真结果得到测量误差;通过理论分析对测量误差进行分析溯源,并根据分析结果对传感器结构进行优化。基于分析和优化结果研制出传感器样机,并进行了精度实验。实验表明,传感器在240 mm内测量精度为±1μm,实现了精密测量。     

可抑制端部效应的平面磁场式直线时栅位移传感器

针对前期研制平面磁场式直线时栅位移传感器存在的端部效应致使匀速运动坐标系均匀度降低的问题,提出了一种抑制平面线圈端部效应的方法,构建均匀性更高的交变磁场,并研制出了一种可抑制端部效应的新型平面直线时栅位移传感器。建立了平面线圈励磁数学模型,分析端部效应对均匀磁场的影响程度,提出了双层互补式激励线圈结构抑制端部效应方案;建立了新型平面直线时栅位移测量模型,采用空间正交的双列激励单元,实现了行波信号的合成并通过仿真验证了方案的有效性;建立了仿真模型,分析端部效应对传感器测量精度的影响,并优化传感器参数;基于PCB工艺制造了量程为228 mm的新型传感器样机并与传统传感器样机展开了对比实验,实验结果表明,新型平面直线时栅位移传感器能够有效地抑制传感器的端部效应,提高测量精度,传感器对极内原始测量精度从±20μm提高到±10μm。     

时栅位移传感器在构造场中的耦合特性研究

为了进一步溯源时栅位移传感器磁场耦合过程引起的误差,对时栅位移传感器在构造场中的耦合特性进行研究,并研制了一种基于指数形平面线圈结构的新型直线时栅位移传感器。建立传感器工程构造磁场的数学模型,分析传感器耦合间隙对线圈耦合平面磁场分布的影响,研究不同形状平面线圈的耦合特性;根据传感器的耦合特性,构建了一种新型直线时栅位移传感器测量模型,对该模型进行了电磁场有限元仿真和仿真误差分析,得出该结构最佳感应间隙为0.4 mm;对传感器的结构误差进行了溯源分析,进一步优化传感器的结构;搭建实验平台,利用双层PCB绕线工艺加工传感器定尺和动尺,对优化前后的传感器样机开展对比实验。实验结果表明,设计的基于指数形平面线圈结构的新型直线时栅位移传感器可以有效抑制传感器的四次误差,新研制的传感器样机的原始测量精度在原有的基础上提高了45.8%。     

基于平面线圈的高分辨力时栅角位移传感器

针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈,导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题,提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈,形成两个完全相同并沿圆周空间正交的传感单元;当在两传感单元的激励线圈中分别通入时间正交的两相激励电流后,通过导磁定子基体和具有特定齿、槽结构的导磁转子对传感单元内的磁场实施精确约束,使两传感单元的感应线圈串联输出初相角随转子转角变化的正弦感应信号;最后通过高频时钟脉冲插补初相角实现精密角位移测量。利用有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真。根据仿真模型制作了传感器实物,开展了验证实验,并对实验中角位移测量误差的频次和来源进行了详细分析。经过标定和补偿,最终获得了整周范围内误差在-2.82″~2.02″的时栅角位移传感器。理论推导、仿真分析和实验验证均表明,该传感器不仅能实现精密角位移测量,还能在激励线圈和感应线圈空间极距和信号质量不变的情况下,将位移测量的分辨力从信号源头提高1倍,且结构简单稳定、极易实现,特别适用于环境恶劣的工业现场。     

时栅位移传感器的动态特性研究

为了解决时栅角位移传感器的动态测量问题,在基于静态的时栅位移传感器电磁仿真的基础上,通过引入运动单元模块,建立了时栅位移传感器的动态电磁仿真模型。通过分析时栅位移传感器的感应电动势幅值信号和感应频率信号,得到了动态条件下的时栅位移传感器感应电动势幅值和频率与转子转速的关系,并测算了磁场式时栅位移传感器在激励频率为400Hz的情况下,理论上能够达到的极限转速为8r/min。实验结果表明,转子转速在0～8r/min时传感器动态误差为±1.4″,速度超过8r/min时传感器精度开始恶化,转子转速为10r/min时传感器误差为±8.2″。     

变耦型时栅传感器及测头姿态对测量误差的影响

根据时栅传感器的测量原理,提出一种采用高频时钟脉冲作为测量基准的变耦型时栅位移传感器以提高位移测量的精度。该传感器通过改变激励线圈和感应线圈的耦合状态输出感应位移变化的行波信号来实现精密位移测量。进行了建模和仿真,研究了不同测头姿态下传感器的位移误差特性,并对其进行了谐波分析,得到了不同测头姿态对位移测量误差各次谐波的影响规律。根据传感器模型制作了传感器并开展了验证实验。仿真和实验结果均表明:不同测头姿态对位移测量误差的影响主要体现在对测量误差的1次、2次和4次谐波上,且俯仰姿态引入的附加误差最大,其余测头姿态下引入的位移测量附加误差均较小。若保证较佳的测头姿态,传感器在定尺和动测头间气隙厚度为0.3mm时的原始误差约为±18μm。实验分析结果与仿真结果基本一致。     

互补式双层时栅角位移传感器研究

针对当前研制的双层时栅角位移传感器感应信号幅值小、时变磁场的均匀有效面积利用率低等问题,在原有“八”字形半正弦结构的基础上提出了一种双层互补式时栅角位移传感器设计方案。根据双层时栅位移传感器的特点,建立了其空间磁场分布模型,验证了双层时栅角位移传感器的互补式结构在构成行波上的优势;根据激励线圈的磁场分布规律进行建模,得到该参数状态下双层平面激励线圈的间距为0.235 mm。最后进行了有限元仿真分析和实验验证。仿真分析表明：采用互补式结构能有效增大感应信号强度,传感器的短周期误差峰峰值显著降低,能够有效抑制角度误差中的1次谐波和4次谐波。实验数据表明：传感器短周期原始误差为(-13.61″,13.30″),修正后误差为(-3.01″,0.78″);传感器长周期原始误差为(-19.60″,21.96″),修正后误差为(-2.62″,3.30″);相比单层“U”字形结构,1次误差减小了66.3%,4次误差减小了25.3%。     

基于测量基准变换的增量直线式时栅传感器研究

针对目前绝对直线场式时栅无法满足全闭环数控系统要求的增量式直线位移反馈的问题,采用测量基准转换方式从时间域的角度处理绝对直线场式时栅的空间位移信息,运用时间序列算法分析绝对式时栅采样数据序列的内在相关性,建立自适应递推算法。通过时间触发采样将时栅传感器过去的测量数据作为样本集,递推时栅下一个采样时刻的位移,在下一个采样周期内将直线时栅的绝对位移代表的增量式时间脉冲通过脉宽调制的方式连续发出,实现绝对式直线时栅到增量式直线时栅位移传感器的转换设计。实验表明在76.604 mm的范围内增量式直线时栅位移传感器达到±2μm的测量精度。此研究可将原绝对式直线时栅位移传感器运用于全闭环增量式直线运动数控系统,具有重要现实意义。     

基于光敏阵列直接调制的单栅式时栅位移传感器

针对传统叠栅形式光栅存在制造难度大、安装要求高等缺点,提出了一种用时间细分空间的单栅式时栅位移传感器。从光的粒子性出发,分析了用正交变化的光场信号合成光场电行波的方法;用点阵发光二极管(LED)模块作为交变光源,用空间正交的光敏阵列直接耦合光强信号获取了反应空间位移的电行波信号;最后,通过检测电行波信号与激励信号过零点之间的时间差,实现了对空间直线位移的测量。研制了原理样机,采用普通机械加工方法对其进行了实验验证。结果表明,在440mm测量范围内,样机的测量精度可达±2μm。该单栅式时栅位移传感器减少了叠栅式传感器对安装工艺的要求,提高了抗干扰能力;采用的测量技术避免了传统粗光栅技术存在的精度难以提高、动态特性差等缺点,为光学位移测量提供了一种不通过精密机械细分来提高测量精度的方法。     

互补谐振耦合型电磁式直线位移传感器

针对当前电场式和光电式直线位移传感器在环境适应性方面以及电磁式直线位移传感器在精度方面的不足,开展了互补谐振耦合型电磁式直线位移传感器的研究.传感器主要由1个定尺和2个动尺组成,其中2个动尺完全相同,且对称地布置于定尺两侧,与定尺形成互补耦合.定尺包含激励线圈和感应线圈,分别产生激励磁场和输出感应信号;动尺也包含感应线...     

基于ARM的直线式时栅传感器自动闭环控制系统设计

设计的自动闭环控制系统,是为了完成直线式时栅传感器数据的快速采样,提高测试效率。基于PHILIPS公司的ARM处理器LPC2214作为主控芯片,设计了控制电路,控制步进电动机驱动滚珠丝杠,带动直线式时栅传感器的动测头与直线光栅的扫描头同步运动,同时接收直线式时栅传感器的反馈信号,并与上位机之间进行串口通信。实践证明:系统响应速度快,控制精度能达到0.1μm。     

单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器

在双排结构纳米时栅位移传感器的研究基础上,提出了一种单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器。通过直接构造一个匀速运动的交变电场来产生行波信号,解决了双排结构所具有的串扰问题和安装问题;采用差动感应极片来拾取信号,可有效地消除共模干扰。用微纳加工工艺制作了一种多层薄膜的单排差动结构的纳米时栅传感器样机并进行了性能测试,最终在200 mm的量程范围内取得了±150 nm的测量精度。对比双排结构的纳米时栅传感器,这种新型的纳米时栅传感器测量精度、信号稳定性及抗干扰能力得到明显的提高,并且在尺寸减小的同时拓展了有效量程,因此在产品化的过程中更具有应用前景。     

基于数字锁相放大的时栅传感器信号处理研究

针对时栅位移传感器对信号噪声和插补时钟频率稳定性敏感及需要时钟频率高的问题,提出了一种基于数字锁相放大技术的时栅位移传感器信号处理方法。该方法用STM32F4微处理器同步产生激励信号和采集时栅输出信号,不需采集正交参考信号,将正交参考信号和输出信号送入正交矢量型数字锁相放大器,实现角位移检测。研究了基于数字锁相放大技术的时栅传感器信号处理原理和算法,设计了A/D采集电路和窄带低通数字滤波器。仿真和试验表明:在信号噪声较大条件下,时栅位移传感器的误差控制在±1.1″以内,显著提高了精度。该方法只需采集一路感应信号即可实现传感器角位移检测,优化和简化了电路结构。     

嵌入式容栅传感技术及轴功率测试研究

针对旋转轴功率测试存在的传感器信号引线困难、安装空间受限、信号易受干扰的问题,设计了一种嵌入式容栅扭矩、转速传感器和测试系统.测试时在轴的两端分别安装容栅传感器,轴在受到扭矩时产生扭角,则两容栅的输出信号会产生一个相位差,通过测量相位差的变化得到扭矩.容栅传感器的差动结构提高了灵敏度减小了误差,容栅的嵌入式安装,将对被测轴的影响降到了最低.实验证明容栅传感器可靠性高,可以在环境要求严格的情况下长时间使用,并且无需通过滑环、无线或红外进行供电和信号的传输,克服了以上方式安装复杂、信号易受干扰的缺点.     

基于桥梁结构的FBG传感器温度与应变交叉敏感问题的研究

对光纤布拉格光栅(FBG)传感器在桥梁结构健康监测中产生的温度与应变交叉敏感问题进行了研究。采用参考光纤光栅法在应变传感光纤光栅附近额外加入一个温度测量光纤光栅,对应变光栅实现温度补偿功能。设计了基于参考光纤光栅法的FBG传感器及FBG传感器封装的机械结构,并通过实验来验证FBG传感器的性能。实验数据表明,温度传感光纤光栅几乎不受应变的影响,应变传感光栅的中心波长变化与温度变化呈一阶线性关系,修正后的测量结果更加精确,达到了双参数同时测量的目的,应变与布拉格波长的线性关系非常好,相关系数达到0.99以上。参考光纤光栅法能够很好地解决FBG传感器温度与应变交叉敏感的问题。     

直线式时栅传感器的自动定位闭环控制系统设计

为了实现直线式时栅传感器数据的快速采样,提高测试效率,设计了一套高精度自动定位系统。该系统采用ARM作为主控芯片,控制步进电机驱动滚珠丝杠,带动直线式时栅传感器的动测头与直线光栅的扫描头同步运动,同时接收直线式时栅传感器的反馈信号,形成高精度闭环控制,并与上位机之间进行串口通信。系统定位精度达到0.1μm。     

电感式磨粒传感器中铁磁质磨粒特性仿真研究

针对机械装置的在线监测传感器,模拟了铁磁质磨粒通过传感器过程中传感器线圈的磁场和感应线圈的感应电压瞬态变化特性.考虑了线圈与铁磨粒的材料、线圈匝数和激励线圈的输入电压等因素,应用Jmag Designer I0.4软件建立了传感器的二维有限元模型.仿真结果揭示了磨粒运动过程中线圈磁场与感应线圈中感应电压的变化规律,获得了感应电压与球形磨粒的直径大小的立方成正比,与磨粒运行速度成正比.研究结果对于电感式磨粒传感器的开发具有重要的指导价值.     

寄生式时栅安装误差对传感器测量精度的影响

为了提高寄生式时栅行波信号的质量和传感器的测角精度,研究了离散式测头安装误差对传感器测角精度的影响。介绍了寄生式时栅的结构组成和工作原理,建立了三维仿真模型,应用Ansoft Maxwell仿真软件对测头与转子不同间隙、测头的俯仰角和偏摆角大小变化对传感器测角精度的影响进行了仿真实验分析,同时应用84对级的寄生式时栅搭建实验平台进行了实际实验验证。仿真和实验结果显示:安装误差中的间隙、俯仰角、测头的偏摆角等因素变化对传感器测量精度均有影响。间隙变化对测量精度的影响具有规律,可通过建模进行修正。实验所用的84对级的寄生式时栅最佳安装间隙大小为0.2mm。俯仰角、偏摆角的变化对测量精度的影响规律变化较复杂,故文中建立了相应的误差补偿模型。本文的研究结果可用于指导传感器的结构优化设计、测头的安装和误差精确补偿,进而提高传感器的测角精度。